Mono为何能跨平台？聊聊CIL(MSIL)

转载自CNBLOGS, 原作者 慕容小匹夫

前言：

其实小匹夫在U3D的开发中一直对U3D的跨平台能力很好奇。到底是什么原理使得U3D可以跨平台呢？后来发现了Mono的作用，并进一步了解到了 CIL的存在。所以，作为一个对Unity3D跨平台能力感兴趣的U3D程序猿，小匹夫如何能不关注CIL这个话题呢？那么下面各位看官就拾起语文老师教 导我们的作文口诀（Why，What，How），和小匹夫一起走进CIL的世界吧~

Why?

回到本文的题目，U3D或者说Mono的跨平台是如何做到的？

如果换做小匹夫或者看官你来做，应该怎么实现一套代码对应多种平台呢？

其实原理想想也简单，生活中也有很多可以参考的例子，比如下图（谁让小匹夫是做移动端开发的呢，只能物尽其用从自己身边找例子了T.T）：

像这样一根线，管你是安卓还是ios都能充电。所以从这个意义上，这货也实现了跨平台。那么我们能从它身上学到什么呢？对的，那就是从一样的能源（电）到不同的平台（ios，安卓）之间需要一个中间层过度转换一下。

那么来到U3D为何能跨平台，简而言之，其实现原理在于使用了叫CIL（Common Intermediate Language通用中间语言，也叫做MSIL微软中间语言）的一种代码指令集，CIL可以在任何支持CLI（Common Language Infrastructure，通用语言基础结构）的环境中运行，就像.NET是微软对这一标准的实现，Mono则是对CLI的又一实现。由于CIL能运 行在所有支持CLI的环境中，例如刚刚提到的.NET运行时以及Mono运行时，也就是说和具体的平台或者CPU无关。这样就无需根据平台的不同而部署不 同的内容了。所以到这里，各位也应该恍然大了。代码的编译只需要分为两部分就好了嘛：

1. 从代码本身到CIL的编译（其实之后CIL还会被编译成一种位元码，生成一个CLI assembly）
2. 运行时从CIL（其实是CLI assembly，不过为了直观理解，不必纠结这种细节）到本地指令的即时编译（这就引出了为何U3D官方没有提供热更新的原因：在iOS平台中Mono无法使用JIT引擎，而是以Full AOT模式运行的，所以此处说的额即时编译不包括IOS）

What？

上文也说了CIL是指令集，但是不是还是太模糊了呢？所以语文老师教导我们，描述一个东西时肯定要先从外貌写起。遵循老师的教导，我们不妨先通过工具来看看CIL到底长什么样。

工具就是ildasm了。下面小匹夫写一个简单的.cs看看生成的CIL代码长什么样。

C#代码：

class Class1
{
    public static void Main(string[] args)
    {
        System.Console.WriteLine("hi");
    }
}

CIL代码：

.class private auto ansi beforefieldinit Class1
       extends [mscorlib]System.Object
{
  .method public hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
  {
    .entrypoint
    // 代码大小       13 (0xd)
    .maxstack  8
    IL_0000:  nop
    IL_0001:  ldstr      "hi"
    IL_0006:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
    IL_000b:  nop
    IL_000c:  ret
  } // end of method Class1::Main

  .method public hidebysig specialname rtspecialname 
          instance void  .ctor() cil managed
  {
    // 代码大小       7 (0x7)
    .maxstack  8
    IL_0000:  ldarg.0
    IL_0001:  call       instance void [mscorlib]System.Object::.ctor()
    IL_0006:  ret
  } // end of method Class1::.ctor

} // end of class Class1

好啦。代码虽然简单，但是也能说明足够多的问题。那么和CIL的第一次亲密接触，能给我们留下什么直观的印象呢？

1. 以“.”一个点号开头的，例如上面这份代码中的：.class、.method 。我们称之为CIL指令（directive），用于描述.NET程序集总体结构的标记。为啥需要它呢？因为你总得告诉编译器你处理的是啥吧。
2. 貌似CIL代码中还看到了private、public这样的身影。姑且称之为CIL特性（attribute）。它的作用也很好理解，通过CIL指令并不能完全说明.NET成员和类，针对CIL指令进行补充说明成员或者类的特性的。市面上常见的还有：extends，implements等等。
3. 每一行CIL代码基本都有的，对，那就是CIL操作码咯。小匹夫从网上找了一份汉化的操作码表放在附录部分，当然英文版的你的vs就有。

直观的印象有了，但是离我们的短期目标，说清楚（或者说介绍个大概）CIL是What，甚至是终极目标，搞明白Uniyt3D为何能跨平台还有2万4千9百里的距离。

好啦，话不多说，继续乱侃。

参照附录中的操作码表，对照可以总结出一份更易读的表格。那就是如下的表啦。

主要操作

操作数范围/条件

操作数类型

操作数

缩写

全称

含义

缩写

全称

含义

缩写

全称

含义

缩写

全称

含义

ld

load

将操作数压到堆栈当中，相当于： push ax

arg

argument

参数

?

?

操作数中的数值

.0

?

第零个参数

.1

?

第一个参数

.2

?

第二个参数

.3

?

第三个参数

.s xx

(short)

参数xx

a

address

操作数的地址

只有 .s xx，参见ldarg.s

loc

local

局部变量

参见ldarg

fld

field

字段（类的全局变量）

参见ldarg

xx

?

xx字段，eg: ldfld xx

c

const

常量

.i4

int 4 bytes

C#里面的int，其他的类型例如short需要通过conv转换

.m1

minus 1

-1

.0

?

0

.1

?

1

……

.8

8

.s

(short)

后面跟一个字节以内的整型数值（有符号的）

?

?

后面跟四个字节的整型数值

.i8

int 8 bytes

C#里面的long

?

?

后面跟八个字节的整型数值

.r4

real 4 bytes

C#里面的float

?

?

后面跟四个字节的浮点数值

.r8

real 8 bytes

C#里面的double

?

?

后面跟八个字节的浮点数值

null

null

空值（也就是0）

?

?

?

?

?

?

st

store

计算堆栈的顶部弹出当前值，相当于： pop ax

参见ld

conv

convert

数值类型转换，仅仅用纯粹的数值类型间的转换，例如int/float等

?

?

?

.i1

int 1 bytes

C#里面的sbyte

?

?

?

.i2

int 2 bytes

C#里面的short

.i4

int 4 bytes

C#里面的int

.i8

int 8 bytes

C#里面的long

.r4

real 4 bytes

C#里面的float

.r8

real 8 bytes

C#里面的double

.u4

uint 4 bytes

C#里面的uint

.u8

uint 8 bytes

C#里面的ulong

b/br

branch

条件和无条件跳转，相当于： jmp/jxx label_jump

br

?

?

无条件跳转

?

?

?

?

?

后面跟四个字节的偏移量（有符号）

.s

(short)

后面跟一个字节的偏移量（有符号）

false

false

值为零的时候跳转

?

?

?

参见br

true

true

值不为零的时候跳转

?

?

?

b

eq

equal to

相等

?

?

?

ne

not equal to

不相等

un

unsigned or unordered

无氟好的（对于整数）或者无序的（对于浮点）

gt

greater than

大于

lt

less than

小于

ge

greater than or equal to

大于等于

le

less than or equal to

小于等于

call

call

调用

?

?

?

?

?

（非虚函数）

?

?

?

?

virt

virtual

虚函数

在此，小匹夫想请各位认真读表，然后心中默数3个数，最后看看都能发现些什么。

基于堆栈

如果是小匹夫的话，第一感觉就是基本每一条描述中都包含一个”栈“。不错,CIL是基于堆栈的，也就是说CIL的VM（mono运行时）是一个栈式机。这就意味着数据是推入堆栈，通过堆栈来操作的，而非通过CPU的寄存器来操作，这更加验证了其和具体的CPU架构没有关系。为了说明这一点，小匹夫举个例子好啦。

大学时候学单片机（大概是8086，记不清了）的时候记得做加法大概是这样的：

add eax,-2

其中的eax是啥？寄存器。所以如果CIL处理数据要通过cpu的寄存器的话，那也就不可能和cpu的架构无关了。

当然，CIL之所以是基于堆栈而非CPU的另一个原因是相比较于cpu的寄存器，操作堆栈实在太简单了。回到刚才小匹夫说的大学时候曾经学过的单片 机那门课程上，当时记得各种寄存器，各种标志位，各种。。。，而堆栈只需要简单的压栈和弹出，因此对于虚拟机的实现来说是再合适不过了。所以想要更具体的 了解CIL基于堆栈这一点，各位可以去看一下堆栈方面的内容。这里小匹夫就不拓展了。

面向对象

那么第二感觉呢？貌似附录的表中有new对象的语句呀。嗯，的确，CIL同样是面向对象的。

这意味着什么呢？那就是在CIL中你可以创建对象，调用对象的方法，访问对象的成员。而这里需要注意的就是对方法的调用。

回到上表中的右上角。对，就是对参数的操作部分。静态方法和实例方法是不同的哦~

1. 静态方法：ldarg.0么有被占用，所以参数从ldarg.0开始。
2. 实例方法：ldarg.0是被this占用的，也就是说实际上的参数是从ldarg.1开始的。

举个例子：假设你有一个类Murong中有一个静态方法Add(int32 a, int32 b)，实现的内容就如同它的名字一样使两个数相加，所以需要2个参数。和一个实例方法TellName(string name)，这个方法会告诉你传入的名字。

class  Murong
{
    public void TellName(string name)
    {
        System.Console.WriteLine(name);
    }

    public static int Add(int a, int b)
    {
       return a + b;
    }
}

静态方法的处理：

那么其中的静态方法Add的CIL代码如下：

//小匹夫注释一下。
.method public hidebysig static int32  Add(int32 a,
                                           int32 b) cil managed
{
  // 代码大小       9 (0x9)
  .maxstack  2
  .locals init ([0] int32 CS$1$0000)   //初始化局部变量列表。因为我们只返回了一个int型。所以这里声明了一个int32类型。索引为0
  IL_0000:  nop
  IL_0001:  ldarg.0     //将索引为 0 的参数加载到计算堆栈上。
  IL_0002:  ldarg.1     //将索引为 1 的参数加载到计算堆栈上。
  IL_0003:  add          //计算
  IL_0004:  stloc.0      //从计算堆栈的顶部弹出当前值并将其存储到索引 0 处的局部变量列表中。
  IL_0005:  br.s       IL_0007
  IL_0007:  ldloc.0     //将索引 0 处的局部变量加载到计算堆栈上。
  IL_0008:  ret           //返回该值
} // end of method Murong::Add

那么我们调用这个静态函数应该就是这样咯。

Murong.Add(1, 2);

对应的CIL代码为：

  IL_0001:  ldc.i4.1 //将整数1压入栈中
  IL_0002:  ldc.i4.2 //将整数2压入栈中
  IL_0003:  call       int32 Murong::Add(int32,
                                         int32)  //调用静态方法

可见CIL直接call了Murong的Add方法，而不需要一个Murong的实例。

实例方法的处理：

Murong类中的实例方法TellName()的CIL代码如下：

.method public hidebysig instance void  TellName(string name) cil managed
{
  // 代码大小       9 (0x9)
  .maxstack  8
  IL_0000:  nop
  IL_0001:  ldarg.1     //看到和静态方法的区别了吗？
  IL_0002:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
  IL_0007:  nop
  IL_0008:  ret
} // end of method Murong::TellName

看到和静态方法的区别了吗？对，第一个参数对应的是ldarg.1中的参数1，而不是静态方法中的0。因为此时参数0相当于this，this是不用参与参数传递的。

那么我们再看看调用实例方法的C#代码和对应的CIL代码是如何的。

//C#
Murong murong = new Murong();
murong.TellName("chenjiadong");

CIL：

.locals init ([0] class Murong murong)   //因为C#代码中定义了一个Murong类型的变量，所以局部变量列表的索引0为该类型的引用。
//....
IL_0009:  newobj     instance void Murong::.ctor() //相比上面的静态方法的调用，此处new一个新对象，出现了instance方法。
IL_000e:  stloc.0
IL_000f:  ldloc.0
IL_0010:  ldstr      "chenjiadong" //小匹夫的名字入栈
IL_0015:  callvirt   instance void Murong::TellName(string) //实例方法的调用也有instance

到此，受制于篇幅所限（小匹夫不想写那么多字啊啊啊！）CIL是What的问题大致介绍一下。当然没有再拓展，以后小匹夫可能会再详细写一下这块。

How？

记得语文老师说过，写作文最重要的一点是要首尾呼应。既然咱们开篇就提出了U3D为何能跨平台的问题，那么接近文章的结尾咱们就再来

提问：

Q:上面的Why部分，咱们知道了U3D能跨平台是因为存在着一个能通吃的中间语言CIL，这也是所谓跨平台的前提，但是为啥CIL能通吃各大平台 呢？当然可以说CIL基于堆栈，跟你CPU怎么架构的没啥关系，但是感觉过于理论化、学术化，那还有没有通俗化、工程化的说法呢？

A:原因就是前面小匹夫提到过的，.Net运行时和Mono运行时。也就是说CIL语言其实是运行在虚拟机中的，具体到咱们的U3D也就是mono 的运行时了，换言之mono运行的其实CIL语言，CIL也并非真正的在本地运行，而是在mono运行时中运行的，运行在本地的是被编译后生成的原生代 码。当然看官博的文章，他们似乎也在开发自己的“mono”，也就是被称为脚本的未来的IL2Cpp，这种类似运行时的功能是将IL再编译成c++，再由 c++编译成原生代码，据说效率提升很可观，小匹夫也是蛮期待的。

这里为了“实现跨平台式的演示”，小匹夫用mac给各位做个测试好啦：

从C#到CIL

新建一个cs文件，然后使用mono来运行。这个cs文件内容如下：

然后咱们直接在命令行中运行这个cs文件试试~

说的很清楚，文件没有包含一个CIL映像。可见mono是不能直接运行cs文件的。假如我们把它编译成CIL呢？那么我们用mono带的mcs来编译小匹夫的Test.cs文件。

mcs Test.cs

生成了什么呢？如图：

好像没见有叫.IL的文件生成啊？反而好像多了一个.exe文件？可是没听说Mac能运行exe文件呀？可为啥又生成了.exe呢？各位看官可能要 说，小匹夫你是不是拿windows截图P的啊？嘿嘿，小匹夫可不敢。辣么真相其实就是这个exe并不是让Mac来运行的，而是留给mono运行时来运行 的，换言之这个文件的可执行代码形式是CIL的位元码形态。到此，我们完成了从C#到CIL的过程。接下来就让我们运行下刚刚的成果好啦。

mono Test.exe

结果是输出了一个大大的“Hi”。这里，就引出了下一个部分。

从CIL到Native Code

这个“HI”可是在小匹夫的MAC终端上出现的呀，那么就证明这个C#写的代码在MAC上运行的还挺“嗨”。

为啥呢？为啥C#写的代码能跑在MAC上呢？这就不得不提从CIL如何到本机原生代码的过程了。Mono提供了两种编译方式，就是我们经常能看到 的：JIT（Just-in-Time compilation，即时编译）和AOT（Ahead-of-Time，提前编译或静态编译）。这两种方式都是将CIL进一步编译成平台的原生代码。 这也是实现跨平台的最后一步。下面就分头介绍一下。

JIT即时编译：

从名字就能看的出来，即时编译，或者称之为动态编译，是在程序执行时才编译代码，解释一条语句执行一条语句，即将一条中间的托管的语句翻译成一条机 器语句，然后执行这条机器语句。但同时也会将编译过的代码进行缓存，而不是每一次都进行编译。所以可以说它是静态编译和解释器的结合体。不过你想想机器既 要处理代码的逻辑，同时还要进行编译的工作，所以其运行时的效率肯定是受到影响的。因此，Mono会有一部分代码通过AOT静态编译，以降低在程序运行时 JIT动态编译在效率上的问题。

不过一向严苛的IOS平台是不允许这种动态的编译方式的，这也是U3D官方无法给出热更新方案的一个原因。而Android平台恰恰相反，Dalvik虚拟机使用的就是JIT方案。

AOT静态编译：

其实Mono的AOT静态编译和JIT并非对立的。AOT同样使用了JIT来进行编译，只不过是被AOT编译的代码在程序运行之前就已经编译好了。当然还有一部分代码会通过JIT来进行动态编译。下面小匹夫就手动操作一下mono，让它进行一次AOT编译。

//在命令行输入
mono --aot Test.exe

结果：

从图中可以看到JIT time： 39 ms,也就是说Mono的AOT模式其实会使用到JIT，同时我们看到了生成了一个适应小匹夫的MAC的动态库Test.exe.dylib，而在Linux生成就是.so（共享库）。

AOT编译出来的库，除了包括我们的代码之外，还有被缓存的元数据信息。所以我们甚至可以只编译元数据信息而不变异代码。例如这样：

//只包含元数据的信息
mono --aot=metadata-only Test.exe

可见代码没有被包括进来。

那么简单总结一下AOT的过程：

1. 收集要被编译的方法
2. 使用JIT进行编译
3. 发射（Emitting）经JIT编译过的代码和其他信息
4. 直接生成文件或者调用本地汇编器或连接器进行处理之后生成文件。（例如上图中使用了小匹夫本地的gcc)

Full AOT

当然上文也说了，IOS平台是禁止使用JIT的，可看样子Mono的AOT模式仍然会保留一部分代码会在程序运行时动态编译。所以为了破解这个问 题，Mono提供了一个被称为Full AOT的模式。即预先对程序集中的所有CIL代码进行AOT编译生成一个本地代码映像，然后在运行时直接加载这个映像而不再使用JIT引擎。目前由于技术 或实现上的原因在使用Full AOT时有一些限制，不过这里不再多说了。以后也还会更细的分析下AOT。

总结：

好啦，写到现在也已经到了凌晨3：04分了。感觉写的内容也差不多了。那么对本文的主题U3D为何能跨平台以及CIL做个最终的总结陈词：

1. CIL是CLI标准定义的一种可读性较低的语言。
2. 以.NET或mono等实现CLI标准的运行环境为目标的语言要先编译成CIL，之后CIL会被编译，并且以位元码的形式存在（源代码—>中间语言的过程）。
3. 这种位元码运行在虚拟机中(.net mono的运行时）。
4. 这种位元码可以被进一步编译成不同平台的原生代码（中间语言—>原生代码的过程）。
5. 面向对象
6. 基于堆栈

附录：